KR100666702B1 - 진공챔버에 의한 레오로지 소재의 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조용 및 주조용 알루미늄, 마그네슘 재료의 레오로지 소재를 진공챔버를 이용하여 제조하기 위한 장치에 관한 것이다.

본 발명으로 제조되는 레오로지 소재는 고상과 액상이 공존하는 재료이면서 액상 내에 있는 고상의 크기가 40∼120㎛ 이내로써, 기존 주조공정 및 단조공정에 비하여 가격, 품질, 제조공법 측면에서 많은 장점을 가지고 있다.

본 발명은 수개의 봉체로 이루어지는 지지체(3)와, 지지체(3)의 중도에 설치되는 챔버 내를 진공상태로 유지할 수 있는 진공챔버(2)와, 진공챔버(2) 내에 배치되는 도가니(4)와, 도가니(4)의 외측으로 설치된 가열코일(5)과, 도가니(4)의 하측으로 회전방지핀(7)에 의해 회전방지와 기울어짐을 방지되게 조립되는 도가니받침대(6)를 포함하며, 도가니(4) 및 도가니받침대(6)를 승강시킬 수 있게 하고, 도가니(4)에 내입되는 교반자(13)를 회동 및 승강시킬 수 있게 함에 특징이 있다.

레오로지 소재, 진공챔버(vacuum chamber), 반응고, 고상율, 교반

Description

진공챔버에 의한 레오로지 소재의 제조장치{Fabrication device of rheology material by using vacuum chamber}

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예를 개략적인 구성을 보인 정단면도

도 2는 본 발명 도 1의 개략적인 측단면도

도 3은 본 발명 도 1의 평면도

도 4는 본 발명에 의한 점도(viscosity) 측정 개요도

도 5는 본 발명에 의한 레오로지 소재 제조 개요도

도 6은 본 발명에 의한 소재 용해 장치 개요도

■ 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 ■

1:진공챔버에 의한 레오로지 소재의 제조장치

2:진공챔버 3:지지체

4:도가니 5:가열코일

6:도가니받침대 7:회전방지핀

8:냉각용축 9:스크류축

10,18,20:모터 11:원동축스프로킷

12:종동축스프로킷 13:교반자

14:회전축 15:냉각장치

16,19:커플링 17:토오크메타

21:회전장치 21a:워엄

21b:워엄휠 22:승강대차

23:나사축봉

본 발명은 Al, Mg 재료를 이용하여 진공상태에서 레오로지 소재를 제조하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세한 결정립과 균일한 구상화조직을 가지는 반응고 슬러리를 기계적 교반방식을 이용하여 제조할 수 있는 레오로지 소재를 정량, 정형화 하여 제조하는 제조장치에 관한 것이다.

최근 재료 성능의 다양화, 고도화로 인하여 레오로지 소재의 제조장치 및 제조 기술이 많이 개발되어지고 있으며, 그 중 주목받는 것 중의 하나가 반응고 재료를 이용한 주조 및 단조 공정이다.

반응고 주조 및 단조 공정이란 금속 용탕을 응고시키는 도중에 강력한 교반력을 가하여 고상과 액상이 미세하게 혼재된 상태에 캐스팅과 단조 등의 성형공정 을 통해 원하는 제품을 제조하는 것을 말한다. 그리고 이러한 공정은 일반 주조의 특징인 유동성 향상으로 복잡한 형상을 쉽게 제조할 수 있으며, 또한 단조와 같은 소성가공법 이상으로 우수한 기계적 성질을 얻을 수 있는 새로운 성형공정으로 이에 대한 연구는 활발히 진행되고 있으며, 결정립이 제어된 레오로지 소재를 제조하는 장비 개발이 요구되고 있다.

레오로지 성형법의 특징은 다음과 같다.

1) 응고 도중 고액 공존 영역에서 교반에 의해 기존의 덴드라이트 조직이 파괴되므로 통상의 주조품에 존재하는 덴드라이트 조직 대신에 거의 구형에 가까운 초정 입자들이 균일하게 분산된 미세한 조직을 얻을 수 있다.

2) 내부 결함, 편석 등을 감소시킴은 물론, 저고상율(0∼0.5%)에서 고고상율(0.5∼1.0%)에 이르기까지 균일한 품질의 제품을 얻을 수 있다.

3) 응고 잠열을 대부분 방출시킨 후 주조되므로 주조장치에 열부하를 경감시켜 금형을 포함한 장치의 수명을 향상시키고 제조시간을 단축시킬 수 있다.

4) 가공 장치에 열부하를 감소시키므로 직접 최종제품에 근접하는 정밀정형 제품의 가공이 가능하다.

5) 통상의 주조법으로는 제조하기 힘든 비중차가 크거나 고용도가 작은 금속 원소가 균일하게 분산된 합금의 제조가 가능하다.

이상의 특징을 가진 반응고 성형법의 실용화로 인해, 1) 금속재료의 품질, 신뢰성, 기능이 향상되고, 2) 난가공성 및 고기능재의 제조 및 제품 양산시의 에너지 절약에 의한 비용절감을 이루며, 3) 새로운 기능의 금속재료 및 복합재료의 제 조가 가능하게 될 것이다.

금속합금은 고액 공존 영역에서 교반 및 응고 조건에 따라 합금 슬러리의 점성이 변하게 되며, 이와 같은 금속 합금 슬러리를 제조하기 위한 교반 방법으로 크게 기계적 교반법과 전자기에 의한 교반법이 있다.

기계적 교반은, 고액상 금속 내에 스크류 모양의 교반자를 넣어 회전 등의 상태에서 덴드라이트를 파괴시키면서 냉각속도의 제어에 의하여 응고시키는 방법으로 높은 전단력을 낼 수 있고, 구형화 조직을 쉽게 얻을 수 있는 장점은 있으나, 연속적인 소재생산과 정밀한 고상율의 제어 한계성 때문에 실용화에 문제가 지적되고 있다.

그리고 Passive 법은, 고액상의 금속이 냉각되는 금속관속에 구형 세라믹볼을 채워 넣고 금속을 강제적으로 통과시키는 방법으로, 용기의 크기 및 대량생산성의 문제점, 고상율의 제어 한계, 구상화 크기의 제어성에 있어서 문제점 및 교반자의 내구성 문제는 해소할 수 있으나, 금속에 전단력을 제어하지 못하는 단점이 있다.

전자기적 교반법은, 유도전류를 이용한 전자기력으로 용탕을 교반하는 방법으로 용융 금속 중앙부에 있어서 교반 효과의 현저한 저하, 장치가격의 고가화, 온도제어의 어려움 및 각종 용기의 제한성 때문에 부품 제조에 필요한 장치에 응용이 아주 제한적이다.

소재의 점성 때문에 고상율을 0.6% 이상으로 하면 전자교반이 불가능하여 결정입의 크기를 제어할 수가 없을 뿐만 아니라, 고상율이 0.6% 이하이면 통상적으로 레오로지 성형품으로서의 효과를 기대하기가 어려울 뿐만 아니라 기계적 성질이 균일한 부품을 제조할 수 없다.

본 발명의 목적은, Al, Mg 재료처럼 경량소재의 경우 결정립이 미세하고 균일한 구상화 조직을 얻을 수 있고 또한, 진공상태에서 레오로지 소재를 제조하여 정량, 정형의 소재를 공급하는 장치를 제공하는 것에 있다.

그리고 이와 같은 본 발명의 목적은, 장치의 단순화 및 기계적 교반 방식을 이용한 장치에 의하여 달성될 수 있을 것이다. 이러한 본 발명의 장치는, 용해된 용탕에서 고액 공존영역으로의 온도제어와, 고액 공존영역에서 기계적 교반, 그리고 이러한 교반력으로 인하여 특정한 온도제어 및 정량, 정형 소재 제조를 위한 장치 등의 일련의 연속작업이 가능하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 보인 개략적인 단면 구성도이고, 도 2는 본 발명 도 1의 개략적인 측단면도, 도 3은 본 발명 도 1의 평면도를 도시한 것으로서, 이하에서 본 발명의 구성을 설명한다.

본 발명에서 제공하는 진공챔버(2)에 의한 레오로지 소재의 제조장치(1)은 도시된 바와 같이 챔버내를 진공상태로 유지할 수 있는 진공챔버(2)를 수개의 봉체로 이루어지는 지지체(3)의 중도에 설치하고, 진공챔버(2) 내부에는 도가니(4)를 배치하며, 도가니(4) 외측으로는 도가니(4)를 가열하여 소재를 융해할 수 있는 가열코일(5)을 설치한다. 이때 상기 진공챔버(2) 내부는 용해하는 소재의 산화를 방지하기 위하여 불활성 분위기 가스가 주입이 가능하도록 구성되어 있다.

상기 진공챔버(2) 내에 배치되는 도가니(4)는 도가니받침대(6)에 놓여져 회전과 기울어짐이 방지되도록 도가니받침대(6)와 회전방지핀(7)으로 조립된다.

상기 도가니받침대(6)는 지지체(3)에 축 설치되는 냉각용축(8)과 연결되어 진공챔버(2) 내부에서의 온도가 진공챔버(2) 밖으로 전달되는 것을 최소화 하도록 구성하고, 상기 냉각용축(8)은 스크류축(9)과 나사 결합식으로 연결하여 지지체(3)에 고정 설치된 모터(10)에 결합되는 원동축스프로킷(11)과 스크류축(9)에 결합되는 종동축스프로킷(12)의 작동에 의해 상하로 움직여 궁극적으로 도가니(4)를 상하로 움직일 수 있도록 구성한다.

상기 도가니(4)의 개구측에는 재료를 교반할 수 있는 교반자(13)가 설치되어 있다.

상기 교반자(13)는 회전축(14)에 연결되어 용탕에 회전력을 가해 레오로지 소재를 제조할 수 있도록 구성된 것으로, 상기 회전축(14)은 냉각장치(15)에 커플링(16)으로 연결되어 진공챔버(2)내의 열을 토오크메타(17)로의 전달을 최소화 하도록 구성된다.

상기 토오크메타(17)는 모터(18)에 커플링(19)으로 연결되어 교반자(13)의 회전토오크를 측정하도록 구성되며, 진공챔버(2)의 위쪽으로 설치되어 있는 각종 장치들은 지지체(3)에 설치되어 있는 모터(20)와 회전장치(21)에 의해 교반자(13) 를 도가니(4)로부터 상승시키거나, 구성장치의 유지보수작업을 원활히 할 수 있도록 구성된다.

즉, 진공챔버(2)의 위쪽으로 설치되는 각종 장치들은 지지체(3)를 따라서 승강하는 승강대차(22)에 설치되며, 승강대차(22)에는 워엄(21a)과 워엄휠(21b)로 구성되는 회전장치(21)의 워엄휠(21b)에 결합된 나사축봉(23)과 나사 결합하여 승강되게 한 것이다.

도면 중 미설명 부호 24는 도가니에 투입되는 소재 또는 소재를 녹인 용탕을 도시한 것이다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 진공챔버(2)에 의한 레오로지 소재의 다이캐스팅 및 단조 등과 같은 성형장치에 공급되는 반고상의 슬러리를 진공상태에서 제조하는 장치로써, 미세하고 균일한 구상화 조직을 얻기 위해 기계적 교반방식이 적용되며, 이러한 본 발명의 장치에 의하여 얻어지는 레오로지 소재의 제조를 통해 다이캐스팅 및 단조 등의 성형장치에 반고상의 슬러리를 제공하게 되는 것으로서, 이하에서 본 발명의 기본적인 동작에 대하여 간단하게 살펴보기로 한다.

본 발명을 사용하여 다이캐스팅 및 단조 등과 같은 성형장치에 공급되는 반고상의 슬러리를 제조코자 할 시에는 먼저 진공챔버(2) 내에 배치되는 도가니(4)에 소재(24)를 담은 후 도가니받침대(6)에 놓고 회전과 기울어짐 방지를 위하여 회전방지핀(7)으로 도가니(4)와 도가니받침대(6)를 결합시킨 뒤 모터(10)를 동작시켜 도가니받침대(6)를 가열코일(5)의 안쪽까지 상승시킨다. 이때 교반자(13)는 모터(20)와 회전장치(21)를 이용하여 가열코일(5)의 밖으로 상승시켜 둔다.

상기와 같이 도가니(4)에 소재(24)를 담아 준비한 상태에서 진공챔버(2)를 진공상태로 하고 용해하는 소재(24)의 산화를 방지하기 위하여 불활성 분위기 가스를 주입한 상태에서 가열코일(5)에 전원을 인가하여 도가니(4)에서 소재(24)가 용해되게 한다.

소재(24)를 용해하는 과정에서 지지체(3) 상단에 설치되는 모터(20)로 회전장치(21)를 구동하여 교반자(13)를 도가니(4) 내부로 투입하여 교반한다.

즉, 지지체(3) 상단에 설치되는 모터(20)를 구동하게 되면 모터(20)의 구동력이 워엄(21a)과 워엄휠(21b)로 구성되는 회전장치(21)에 의해 나사축봉(23)이 회전되어 지지체(3)를 따라서 승강하는 승강대차(22)가 하강시키게 되므로 이때 교반자(13)가 도가니(4) 내로 내입되며, 이렇게 내입된 상태에서 승강대차(22)상에 설치되어 있는 모터(18)를 구동하여 교반자(13)를 회전시키면 소재(24) 또는 소재를 녹인 용탕(24)을 교반하게 된다. 이때 모터(18)의 회전은 커플링(19)에 의해 토오크메타(17)와 연결되고, 토오크메타(17)는 커플링(16)으로 냉각장치(15)의 회전축(14)과 연결되며, 이 회전축(14)에는 교반자(13)가 연결되도록 연결 구성되어 있으므로 회전축(14)으로 전이되는 열을 냉각장치(15)에서 충분히 냉각하게 되어 토오크메탈(17) 등의 손상을 예방할 수 있는 것이다.

본 발명은 토오크메타(17)를 이용하여 도 2에 도시된 바와 같이 용탕의 점도측정이 가능하고, 도 3에서처럼 레오로지 소재로의 제작을 할 수 있는 장치를 제안 하고 있다. 또한, 상기 도가니(4)는 많은 양의 소재(24)를 용해하기 위하여 도 4에서처럼 많은 양의 용탕(24)을 담을 수 있는 도가니(4)를 사용할 수 있는 구조도 제안하고 있다.

본 발명으로 레오로지 소재를 제작할 경우 고상과 액상이 공존하는 재료이면서 액상 내에 있는 고상의 크기가 40∼120㎛ 이내로써, 기존 주조공정 및 단조공정에 비하여 가격, 품질, 제조공법 측면에서 많은 장점을 제공할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면, Al, Mg 소재를 진공챔버(2)를 이용한 레오로지 소재의 제조가 가능함을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 장치를 이용하는 것에 의하여 Al, Mg의 레오로지 소재를 공급함으로써, 캐스팅머신과 단조프레스 장치 등을 이용한 부품의 제조가 더욱 유리하게 되는 효과를 기대할 수 있다.

기존 기계식교반과 전자교반장치에 의한 레오로지 소재장비를 본 장비로 대체할 수 있으며, 또한 기존 단조장치와 다이캐스팅 장비를 활용하여 경량화 부품생산이 가능한 효과를 가져 올 수 있다.

본 기술은 기존 부품 성형 공정(단조, 캐스팅 공정)을 레오로지 캐스팅 공정으로 대체할 수 있으며, 또한 기존 공법의 단점을 해결할 수 있는 새로운 공법이다.

이상에서 설명한 본 발명 진공챔버(2)에 의한 레오로지 소재의 제조장치(1)을 이용하여, 용융금속으로부터 결정립과 고상율이 제어되어진 소재를 이용하여 특허 제0360685호 또는 특허 제0227415호에 게시되어 있는 장치로 소정형상의 부품을 만들 수 있다.

Claims (4)

1. 수개의 봉체로 이루어지는 지지체(3)와, 지지체(3)의 중도에 설치되는 챔버 내를 진공상태로 유지할 수 있는 진공챔버(2)와, 진공챔버(2) 내에 배치되는 도가니(4)와, 도가니(4)의 외측으로 설치된 가열코일(5)로 구성되는 진공챔버에 의한 레오로지 소재의 제조장치에 있어서,

   상기 도가니(4)의 하측으로 회전방지핀(7)에 의해 회전방지와 기울어짐을 방지되게 조립하는 도가니받침대(6)를 포함하며,

   상기 도가니받침대(6)와 연결된 냉각용축(8)과,

   상기 냉각용축(8)과 연결되고 도가니받침대(6)를 상하로 이동시키도록 지지체(3)에 축 설치한 스크류축(9)과,

   상기 스크류축(9)을 회전시켜 도가니(4)를 승강시킬 수 있도록 지지체(3)에 설치한 모터(10)와 원동축스프로킷(11)과 종동축스프로킷(12)을 부가한 것을 특징으로 하는 진공챔버에 의한 레오로지 소재의 제조장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 도가니(2)에 내입되도록 설치된 교반자(13)와,

   상기 교반자(13)와 연결되는 회전축(14)과,

   상기 회전축(14)과 연결되는 토오크메타(17) 및 진공챔버(2)내의 열을 토오크메타(17)로의 전달을 방지하기위한 냉각장치(15)와,

   상기 냉각장치(15)와 토오크메타(17)가 설치되도록 지지체(3)에 승강되도록 결합된 승강대차(22)와,

   상기 승강대차(22)에 설치되며 토오크메타(17)와 커플링(19)으로 연결되는 모터(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공챔버에 의한 레오로지 소재의 제조장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 승강대차(22)에 나사 결합되는 나사축봉(23)과,

   상기 나사축봉(23)이 결합된 워엄휠(21b) 및 이를 구동하는 워엄(21a)을 조합한 회전장치(21)와,

   상기 회전장치(21)를 구동하도록 지지체(3)에 설치한 모터(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레오로지 소재의 제조장치.
4. 삭제

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